港科大王蕴达团队:高精度晶圆级的转移光刻技术用于规模化可持续的干式微制造

Scalable and Sustainable Dry Microfabrication Enabled by High-Precision and Wafer-Scale Transfer Lithography of Commercial Photoresists

Qinhua Guo, Zhiqing Xu, Lizhou Yang, Jingyang Zhang, Yawen Gan, Jiajun Zhang, Jiahao Jiang and Yunda Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 357

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02215-7

本文亮点

1. 高精度晶圆级转移光刻，兼容多种基板：提出了一种通用、高精度且晶圆级(~4英寸)的转移光刻技术，可将多种商用光刻胶高效转移到各种传统光刻难以兼容的衬底上，实现高分辨率图案化。

2. 基于干法刻蚀的新型图案化路线：结合转移光刻技术和刻蚀工艺，进一步开发了一种新型的图案化路线，实现了钙钛矿量子点、有机半导体等敏感脆弱材料的高分辨率图案化。该策略有效突破了传统光刻工艺对敏感材料的兼容性限制。

3. 可持续干法剥离工艺，可实现功能材料的高效图案化：提出了一种可持续的干法剥离(dry lift-off)工艺，用于功能材料的高效图案化与先进器件制造(如瞬态电子和曲面电子)。干法去胶和材料(衬底、光刻胶、转移印章)的可复用性极大减少了对光刻实验和材料合成的重复需求。

研究背景

光刻是制备微/纳米结构的核心技术，为现代集成电路和微机电系统的发展奠定了基础。然而，由于光刻胶/衬底的形变以及间隙引起的光衍射效应会显著降低图形保真度，传统光刻技术长期局限于平坦且刚性的衬底。同时，旋涂和显影等工序涉及的溶剂极易导致敏感材料发生溶胀、溶解或化学降解。这些固有局限严重制约了在非常规衬底表面(包括弯曲或柔性表面、三维微纹理结构以及钙钛矿量子点等脆弱材料)实现高精度图案化。长期以来，如何突破传统光刻的刚性基板限制与工艺兼容性难题已成为先进微纳制造领域的关键科学瓶颈。

内容简介

为了克服传统光刻工艺的固有局限，港科大王蕴达团队提出了一种创新的图案转移方法：利用一种粘附特性可逆切换的相变聚合物，将多种图案化的商用光刻胶精准转移至先前不兼容的各类基底上，实现了非常规表面的高分辨图案化。该方法成功实现了可靠的晶圆级(~4 inch)转移，并将全局转移误差控制在较低水平 (global translation error < 60 μm)，从而在溶剂敏感、弯曲、微纹理或易碎等具有挑战性的表面上实现了高保真图案化。结合干法刻蚀工艺，该研究为脆弱功能材料(包括量子点和有机半导体)的高分辨率图案化开辟了一条全新途径。此外，该工作还提出了一种可持续的干法剥离工艺，用于功能薄膜的高效图案化。其中，转移载体和光刻胶的可重复使用特性显著提升了该工艺的可持续性和规模化潜力。通过在弯曲的玻璃瓶表面制备具有广角感知能力的微型紫外光电探测器阵列，进一步验证了该转移光刻技术在先进电子器件制造中的应用潜力。

图文导读

I 基于粘附可切换相变聚合物的晶圆级转移光刻原理

图1阐述了晶圆级转移光刻的工作机制。该方法采用一种具有急剧模量转变特性的相变聚合物(SPRR polymer)，将商业化的光刻胶从低表面能的施主衬底(表面涂覆PDMS层的刚性衬底)转移至各种非常规接收基底上。拾取过程中，刚性印章与光刻胶界面形成强粘附锁定，使界面断裂优先发生在光刻胶/PDMS界面；释放过程中，重新加热至橡胶态的印章与光刻胶界面粘附显著降低，在低剥离速度下实现光刻胶释放。其中，对平面光刻胶薄膜的拾取/释放粘附切换比超过110:1。

图1. 基于SPRR聚合物的光刻胶转移技术。

II 高精度、晶圆级光刻胶转移

图2展示了多尺度离散分布的SU-8 2002光刻胶图案(特征尺寸：5 – 50 μm)从4英寸施主衬底(PDMS/硅片)转移到4英寸SPRR聚合物/PET载体上，随后进一步转移到4英寸水溶性PVA接收基板上的过程。误差分析表明，在 84.94 mm的全局范围内，整体平移误差为 60 μm，相对偏移约0.07%。在 1380 μm × 650 μm的局部区域内，局部平移误差低于1.8 ± 0.9 μm，旋转误差低于0.03 ± 0.03 rad。

图2. 高精度晶圆级转移光刻演示，用于水溶性基底表面图案化。

III 多种非常规衬底表面图形化

图3凸显了转移光刻方法的普遍适用性。各种商用光刻胶(如AZ5214E和SU-8系列光刻胶)被转移到多种非常规接收基板上，包括柔性薄膜，水溶性衬底，疏水表面，钙钛矿量子点，曲面，三维微纹理结构等。

图3. 商用光刻胶转移至多种非常规衬底表面。

IV 脆弱材料的高精度图案化

在该研究中，转移光刻技术被进一步应用于量子点和导电聚合物等传统光刻不相容材料的干法刻蚀图案化。这些材料在常规光刻工艺的旋涂、烘烤或显影步骤中极易发生溶胀、损坏或脱层。该研究首先在目标基底上制备功能材料层，随后转移图案化光刻胶，再通过干法刻蚀实现高保真图形定义。对于CsPbBr₃量子点体系，转移光刻胶后经O₂/Ar等离子体刻蚀，可获得5 μm至50 μm的高分辨率图案；对于PEDOT:PSS聚合物，干法刻蚀后可利用SPRR聚合物载体选择性移除光刻胶，成功获得离散的PEDOT:PSS微阵列。这些结果充分展示了转移光刻结合干法刻蚀策略在传统光刻不相容材料高分辨图案化中的应用潜力。

图4. 基于干法刻蚀的脆弱材料图案化。

V 用于高效薄膜图案化的可持续干式剥离工艺

基于可逆的光刻胶转移机制，该研究提出了一种可持续的干法剥离(dry lift-off)工艺，为功能薄膜的高效图案化提供了全新途径。该方法完全避免了传统剥离工艺(图5a)中依赖有机溶剂溶解光刻胶的湿法过程，而是通过SPRR聚合物的粘附切换特性，将覆盖在光刻胶表面的薄膜连同光刻胶一同干法移除，仅保留无光刻胶区域的薄膜，从而实现纯干法薄膜图案化(图5b)。值得注意的是，该工艺支持光刻胶和SPRR载体的重复使用，显著提升了可持续性和可扩展性。作为概念演示，该工作在纸基衬底和曲面上实现了高分辨率金属薄膜图案化。进一步实验表明，剥离后的光刻胶可完整转移至新基底实现多次利用。通过将薄膜图案化与传统光刻及湿法工艺解耦，该干法剥离工艺为纸基、水溶性衬底等挑战性表面的可扩展、高通量微加工提供了可持续且高效的解决方案。

图5. 可持续的干式剥离工艺，可用于实现非常规衬底表面的功能性薄膜图案化。

VI 基于干式剥离工艺的曲面功能器件制造

如图6所示，为展示所开发转移光刻技术在曲面电子器件中的应用潜力，该研究在棕色玻璃瓶表面直接集成了3×3 ZnO紫外光探测器阵列。该曲面器件表现出良好的光电响应性能，并展示出独特的广角感知能力。

图6. 基于干式剥离工艺的微尺寸紫外光电探测器阵列，可实现广角感知。

VII 总结

该工作提出了一种高保真、可扩展的转移光刻技术，利用一种具有急剧模量转变特性的相变聚合物作为转移载体，实现了商用光刻胶从PDMS供体晶圆向光刻不兼容的衬底转移(如柔性、溶剂敏感、弯曲、微纹理及脆弱基底)。得益于相变聚合物的显著模量变化，该方法能够实现晶圆级(~4 inch)光刻胶转移，全局对准误差低于 60 μm。

该方法适用于多种商用光刻胶和不同的接收基底，展现出良好的普遍适用性。光刻胶是通过标准光刻工艺图形化的，并成功地转移到了与光刻技术不兼容的一系列基底上，包括柔性薄膜、溶剂敏感层、弯曲和微纹理表面以及脆弱材料等。

结合干法刻蚀，转移光刻技术为量子点和有机半导体等传统光刻不相容材料提供了无溶剂的高分辨率图案化途径，最小特征尺寸达5 μm。

此外，基于转移光刻，该工作进一步开发了可持续的干法剥离工艺，可实现功能薄膜的高效图案化。转移载体与光刻胶均可重复使用，显著提升了微加工的绿色可持续性与规模化潜力。为进一步验证其制造潜力，该工作在曲面玻璃瓶表面直接制备了具有广角感知能力的微型紫外光电探测器阵列。

该研究系统地展示了光刻胶转移技术在传统光刻技术无法触及的各种场景中的应用潜力，为高分辨率微制造技术在新兴领域(如柔性电子、纸基电子、曲面电子、瞬态电子和光电子学)的开创性应用开辟了新的机遇。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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